浅析多孔混凝土路面在隧道工程中的应用

高 泳

(河北省东光县公路管理站)

隧道相对公路一般路段没有考虑隧道内部环境对路面的影响以及在结构和材料等方面的特殊要求,已建隧道水泥混凝土路面大多出现了不同程度的问题和病害,其中最突出的问题是槽型抗滑构造极易磨平、路面抗滑性能衰减快、交通安全隐患大,长大隧道噪音污染严重,极大影响了公路隧道的交通安全性和舒适性。隧道处在相对封闭的环境中,湿度较大,加之地下水的渗漏或车轮从隧道外带入的雨水不易散失,路表面长期处于潮湿状况下。普通水泥混凝土路面横槽式抗滑构造不耐磨耗,逐渐磨光的路表面与轮胎之间容易产生水膜,导致产生车辆滑溜事故,严重影响行车安全。多孔混凝土作为一种新型的路面材料和路面结构形式,适于公路隧道抗滑、低噪音路面,减少路面病害,延长使用寿命,提高隧道路面车的安全性和舒适性。

1 多孔水泥混凝土的分类

多孔水泥混凝土按组成材料的不同可分为三类:一类是以水泥、特殊粒径粗骨料和水制备的普通多孔混凝土;一类是掺加适量矿物活性超细粉和高效减水剂的高性能多孔水泥混凝土(HPCC);另一类是以水泥和有机高分子聚合物共同作为胶凝材料形成的多孔聚合物水泥混凝土(PPCC)。作为一种新型的路面材料,不同类型多孔混凝土的路用性能不同,各有其特点,须结合公路路面交通等级、交通特点、工程环境、原材料供应状况、施工水平以及经济成本等各方面综合优选应用。本文主要探讨不同多孔混凝土的路用性能及特点,并分析其在公路隧道路面工程的适用性。

根据组成材料的不同,将多孔水泥混凝土分为三类:以水泥、特殊粒径粗骨料和水制备的普通多孔混凝土、掺加适量矿物活性超细粉和高效减水剂的高性能多孔混凝土(HPCC)和以水泥和有机高分子聚合物共同作为胶凝材料形成的多孔聚合物水泥混凝土(即CC)。

2 多孔混凝土路面分形特征

分形理论在极端有序和真正混沌之间提供了一种可能性,使本来看起来十分复杂的事物,可用仅含很少参数的简单公式来描述;可以抛开复杂的表面现象,从中提取本质的、规律性的东西,大大拉近人们的认知能力和所研究问题的复杂性之间的距离,为某些长期困扰人们的复杂问题的进一步研究提供了一种全新的思路和方法。

多孔混凝土路面具有从微观到宏观尺度上连续的自相似构造特征,主要由于其表面孔隙结构形成的随机性和路表具有分形特征粗骨料的裸露。微观构造与具有分形特征的粗骨料形状和表面纹理有关,宏观构造则取决于骨料级配类型过程中的随机分布,也具有明显的分形特征。同时,多孔混凝土受往复车轮磨蚀的过程是一种随机过程,其损伤表面在统计意义上同样遵从分形的基本律。因此,路面随机构造是分形,其表面轮廓具有分形特征。路面断面轮廓分数是评价路面构造特征的有力工具。路面构造是分形,其某一断面的不规则轮廓线也满足分形特征,代表断轮廓线不规则程度和层次性的分数维蕴涵了路面构造的丰富信息。以路面断面廓线分数维作为联系路面构造参数与其抗滑能力的桥梁,对二者相关性进行深入研究,为多孔混凝土路面表面构造参数的优化奠定理论基础。

3 多孔混凝土的施工方法及阻塞措施

多孔混凝土通常用作铺筑双层式混凝土面层的上层,建议层厚为 5～8 cm,即路面下层采用普通砂石骨料制备的普通水泥混凝土,其各项技术性能满足普通水泥混凝土路面要求,仅在表层部分(厚度约 5～8 cm)采用特殊粒径、坚固和耐磨的碎石粗骨料制备的多孔混凝土。施工时,分上下两层接连摊铺,共同形成结合式双层板面层结构,拉杆和传力杆的设计位置不变,仍设置在全板厚中部、多孔混凝土面层下的普通水泥混凝土内,同时在受水作用显著的公路隧道路面环境,应加强排水措施,及时排走多孔混凝土渗流出的水分。这样,仅在一定厚度的路表面采用多孔材料,既满足路用性能要求并充分发挥其表面功能性,在对原材料的限制和工程成本方面又是可行和合理的。多孔混凝土面层的施工过程为:铺筑下层普通混凝土→铺筑多孔混凝土→固结、整平→养生(拆模)→检测、验收。

多孔混凝土孔隙阻塞、孔隙率下降问题一直是多孔路面的主要缺陷,涉及交通管理、日常维护、交通流量特点以及路面材料自身品质等多个方面,几乎是无法避免的,但可以采取措施尽量减少孔隙阻塞,延长多孔路面功能性的寿命,其具体措施如下。

(1)采用花岗岩、玄武岩等耐磨性非常强的坚硬碎石作为多孔层粗骨料,矿物活性超细粉或有机高分子聚合物对混凝土的改性作用均使混凝土的耐磨性大大提高,在车轮磨耗作用下磨耗量非常小,产生的粉尘和堆积颗粒很少,同时多孔混凝土粗骨料与胶结层紧密粘结,胶结层与粗骨料难以相互脱离而被车轮压入粗大孔隙中,从而在很大程度上避免了因多孔混凝土材料表面自身脱落物阻塞孔隙。

(2)多孔路面一般应用在车辆高速通行路段,设计行车速度为 60 km/h,禁止车辆在该路段停留,减少产生路面堆积物填充路面孔隙和油污污染路面的几率。公路隧道内禁止车辆停留并要求快速通行,车辆或外界环境带入杂质堆积于隧道路面的几率相对一般路段较低,适于铺筑多孔路面。

(3)加强交通管理,要求货车,尤其是运煤车、渣土车等封闭车厢,车身清洁,不散落细小颗粒物。对于以货运(如运煤、运砂石)为主的交通要道,又难于达到封闭货车要求,一般不考虑铺筑多孔混凝土路面。

(4)加强多孔路面路段日常清洁工作,避免粗大堆积物在车轮反复碾压过程中逐渐细化为微小颗粒物或粉尘,阻塞孔隙,特别对公路隧道等空气流通不畅的路段尤其重要。

(5)定期检查多孔路面状态,若开始出现路面孔隙阻塞,应及时用高压水清扫机冲刷路面,重新疏通孔隙,保持其孔隙率和路面宏观抗滑构造。路面孔隙内阻塞物一旦固结过死,阻塞深度过大,恢复措施开展起来难度加大、冲刷力过大导致多孔材料损伤、维护成本高昂且效果也不理想,因此应遵循的原则是预防为主,一旦孔隙开始阻塞,应尽早维护。结合路面交通状况,积累经验,建立定期清洁与高压水冲刷维护制度,保障和及时恢复多孔混凝土路面抗滑、透水与降噪功能。

4 结 语

多孔水泥混凝土是以水泥作为胶结材料、特殊级配骨料、水和外加剂按一定比例和特定工艺配制而成孔隙均匀分布的蜂窝状结构,往往无细骨料,又称“无砂混凝土”,因具有透气、透水、质量较轻等特点,在绿色生态混凝土、透水性贫混凝土基层、水工建筑和排水系统反滤层等方面有重要用途,但路面双结构层温度应力和疲劳荷载应力验算、隧道内外交接处或不同路面形式过渡段的设计与处理方法等问题还有待进一步研究。

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